Исследователи встроили жидкостное охлаждение внутрь полупроводникового кристалла

Когда настольные процессоры впервые преодолели частоту в 1 ГГц, какое-то время казалось, что идти дальше некуда. Поначалу удавалось поднимать частоту за счёт новых техпроцессов, но прогресс частот в итоге затормозил из-за растущих требований к отводу тепла. Даже массивные радиаторы и вентиляторы не успевают порой отводить тепло от самых мощных чипов.

Исследователи из Швейцарии решили попробовать новый способ отвода тепла путём пропуска жидкости через сам кристалл. Они спроектировали чип и систему охлаждения как единое целое, при этом каналы для жидкости на кристалле разместили рядом с наиболее горячими частями чипа. Результат — впечатляющий прирост производительности при эффективном отводе тепла.

Отчасти проблема с отводом тепла от чипа заключается в том, что обычно речь идёт о нескольких этапах: тепло отводится от микросхемы к упаковке чипа, затем от упаковки к радиатору, а затем — к воздуху (также в процессе могут участвовать термопаста, испарительные камеры и так далее). В сумме это ограничивает объёмы тепла, которое можно отвести от чипа. Это верно и для используемых в настоящее время систем жидкостного охлаждения. Можно было бы поместить чип непосредственно в теплопроводную жидкость, но последняя не должна проводить электричество и вступать в химические реакции с электронными компонентами.

Прежде уже было несколько демонстраций встроенного в чип жидкостного охлаждения. Обычно речь идёт о системе, в которой устройство с набором каналов для жидкости наплавлено на кристалл, а сама жидкость прокачивается помпами через неё. Это позволяет эффективно отводить тепло от чипа, но первоначальные реализации показали, что в каналах возникает сильное давление и для прокачки воды таким способом требуется много энергии — больше, чем отводится от процессора. Это снижает энергоэффективность системы и вдобавок создаёт опасные механические нагрузки на чип.

Новое исследование развивает идеи повышения эффективности интегрированных на чип систем охлаждения. Для решения могут использоваться трёхмерные системы охлаждения — микроканалы со встроенным коллектором (embedded manifold microchannels, EMMC). В них трёхмерный иерархический коллектор является компонентом канала, имеющего несколько портов для распределения охлаждающей жидкости.

Исследователи разработали монолитно интегрированный микроканал коллектора (monolithically integrated manifold microchannel, mMMC), интегрировав EMMC прямо на кристалл. Скрытые каналы встроены прямо под активными областями микросхемы, и охлаждающая жидкость проходит непосредственно под источниками тепла. Для создания mММС вначале на кремниевой подложке, покрытой полупроводником — нитридом галлия (GaN), протравливаются узкие щели под каналы; затем применяется травление изотропным газом для расширения щелей в кремнии до необходимой ширины каналов; после этого отверстия в слое GaN поверх каналов заделываются медью. Чип может изготавливаться в слое GaN. Такой процесс не требует соединительной системы между коллектором и устройством.

Исследователи реализовали силовой электронный модуль, преобразующий переменный ток в постоянный. С его помощью тепловые потоки более 1,7 кВт/см² можно охладить, используя мощность прокачки лишь 0,57 Вт/см². Вдобавок система демонстрирует гораздо более высокую эффективность преобразования, чем аналогичное неохлаждаемое устройство из-за отсутствия самонагрева.

Впрочем, не стоит ждать скорого появления чипов на основе GaN с интегрированной системой охлаждения — предстоит ещё решить целый ряд принципиальных моментов вроде стабильности системы, предельных температур и так далее. И, тем не менее, это заметный шаг вперёд к более светлому и холодному будущему.